第二节 精密成型技术

1、第一节 概述第二节 精密成型技术第三节 超精密加工技术第四节 超高速加工技术第三章第三章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术( (一一) )第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n机械制造工艺的定义机械制造工艺的定义n将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。为成品或半成品的方法和过程。n机械制造工艺一般分为三个阶段机械制造工艺一般分为三个阶段n(1)(1)零件毛坯的成形准备阶段零件毛坯的成形准备阶段n包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等；包括原材料切割、焊接、铸造、锻压

2、加工成形等；n(2)(2)机械切削加工阶段机械切削加工阶段n包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等；包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等；n(3)(3)表面改性处理阶段表面改性处理阶段n包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等。包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等。第一节第一节 先进制造工艺概况先进制造工艺概况上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）机械制造工艺流程第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）先进制造工艺的定义先进制造工艺的定义先进制造工艺是在传

3、统的机械制造工艺基础上，先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上，不断不断吸收吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等各个方便的理技术等各个方便的技术成果技术成果，并将它们有机，并将它们有机结合结合起来，综合起来，综合应用于产品设计、制造、销售、服务等应用于产品设计、制造、销售、服务等过程过程的制造工艺技术，是先进制造技术的的制造工艺技术，是先进制造技术的核心和基核心和基础础第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）制造加工精度不断提高制造加工精度不断提高 18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，m级

4、过渡； 20世纪50年代末，实现了m级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。切削加工速度迅速提高切削加工速度迅速提高 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200C，10m/min； 20世纪初，高速钢，500-600C，30-40m/min； 20世纪30年代，硬质合金，800-1000C， 数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000C以上， 一千至数千米/min。先进制造工艺的发展趋势先进制造工艺的发展趋势第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）切削速度随刀具材料的变更而提高第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一） 新型工程材料的应用推动

5、了制造工艺的进步和变革新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、 复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献： 改善刀具切削性能，改进加工设备； 促进特种加工工艺发展。 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率率 单机自动化 系统自动化 刚性自动化 柔性自动化 综合自动化 第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）零件毛坯成型在向少、无余量发展零件毛坯成型在向少、无余量发展 如：熔模精密铸造、精密锻造、 精密冲裁、冷温挤压等新工艺。优质清洁表面工程技术得到进一步的发展优质清洁表面工程技术得到

6、进一步的发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术的分类先进制造工艺技术的分类 精密成型技术 超精密加工技术 高速与超高速加工技术 微细加工技术 表面工程技术 快速原型制造技术16:49第二节第二节 精密成型技术精密成型技术n快速原型制造技术 1 n粉末冶金n精密铸造n精密锻造n精密冲裁n精密焊接精密成型技术概念精密成型技术概念 精

7、密成型技术，也称为近净成型技术或净成型技术，是指零件成型后，仅需少量加工或不再加工就可以用做机械构件的一种成型技术。第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）3.2.1 3.2.1 粉末冶金粉末冶金 粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制取具有所属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制取具有所需形状和性能的金属材料以及各种类型制品的工艺技术。需形状和性能的金属材料以及各种类型制品的工艺技术。 具有独特的化学组具有独特的化学组成和机械、物理性能成和机械、物理性能 ！这些性能

8、是用传统的这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的！熔铸方法无法获得的！含油轴承、含油轴承、齿轮、凸轮、导齿轮、凸轮、导杆、刀具等杆、刀具等第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）粉末冶金优点：粉末冶金优点：（1 1）材料利用率高。）材料利用率高。可比常规加工减少50%左右的能力消耗（2 2）设计自由度高。）设计自由度高。 可根据零件的使用条件设计材料的成分，富裕制品特有的组织结构，使其具有优异的性能。（3 3）制备某些特殊性能的结构材料和功能材料。）制备某些特殊性能的结构材料和功能材料。（4 4）节能、节材、高效省时。）节能、节材、高效省时。是一种无切削或少切削、高效省时的新

9、技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一） 粉末冶金材料的应用与分类，主要有粉末冶金材料的应用与分类，主要有：粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料粉末冶金减摩材料粉末冶金减摩材料粉末冶金结零件粉末冶金结零件粉末冶金模具材料粉末冶金模具材料粉末冶金电磁材料粉末冶金电磁材料粉末冶金粉末冶金高温材料粉末冶金高温材料第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）粉末冶金工艺流程粉末冶金粉料制备与压制成型烧结后处理第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）粉末冶金工艺流程第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）制粉方法第第3 3章章

10、先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）请看粉末冶金加工过程。第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n普通砂型铸造3.2.2 3.2.2 精密铸造精密铸造消失模铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n生产原理n泡沫塑料模型或石蜡制作成铸造模样；n在模型上涂刷特制涂料，待干燥后放入砂箱；n填入不含水分及粘结剂的干砂，经振实，抽真空后浇铸；n泡沫或石蜡模型气化消耗被金属置换，复制出与模样相同的铸件。消失模铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n 金属液的充型过程n消失模铸件是由液体金属将模样消失掉，金属液取代模样原来占据

11、的空间而成形；n金属液流动前沿消失模的热解产物经涂料及干砂排出；消失模铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n优越性n无需取模、无分型面，无泥芯，因此无飞边毛刺，无拔模斜度，故尺寸精度和表面粗糙度较高；同时方便了铸件结构的设计。n因为填充砂采用干砂，型砂中无粘结剂以及其它附加物，减少了由此带来的缺陷，铸件废品率显著下降；同时简化了砂处理工序。消失模铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n 压力铸造工艺压力铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n生产原理n属于金属型铸造，用金属材料制作铸型；n熔融的金属在高的压力(几兆

12、帕几十兆帕)下，在极短的时间(充填时间一般为0.010.21秒)内，以极高的速度(充填速度一般为0.550m/s)充填模具的型腔内；n充型完成后，持续地施以高压使之在压力下凝固、结晶。压力铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n液体充型特点n压铸过程中，液态金属被压力所推动，在压力下凝固，高压高速填充压铸型是压铸的最大特点。液体金属在压铸模型腔中的流动也与砂型铸造有本质不同；n弗洛梅尔理论：1925年提出的压铸型腔内金属流动理论压力铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n铸造特点n可以制得薄壁、形状复杂且轮廓清晰的铸件n铸件壁厚范围16mm；

13、n生产效率高n一次操作循环时间约5s3min，一般多为300件/min；n铸件具有较好的力学性能n由于铸件在金属型中压力作用下凝固，所以晶粒细小、组织致密、制件的强度较高；n由于激冷造成铸件表面硬化，形成约0.30.5mm硬化层n铸件精度高、表面光洁n加工余量0.20.5mm，表面粗糙度在Ra3.2m；n能直接压铸出螺纹、线条、文字、图案等；压力铸造第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）3.2.33.2.3精密锻造精密锻造n精密锻造定义n精密锻造工艺方法第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）精密锻造的基本概念精密锻造的基本概念n定义：零件锻造成型后，

14、只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成型技术。精密锻造的艺方法精密锻造的艺方法n1 冷精锻工艺；n2 热精锻工艺；n3 温精锻工艺；n4 复合精锻工艺；n5 等温精锻工艺第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）平锻机螺旋压力机第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）模锻水压机第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）机械零件中很多承力件、保安件、传动件都采用了热锻成型工艺。需要制造精密锻模、无氧化或少氧化加热和冷却手段。通常用于齿轮、涡轮扭曲叶片、航空零件、电气零件等。请看视频请看视频第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺

15、技术（一）3.2.43.2.4精密冲裁精密冲裁n精密冲裁：使板料冲裁区处于特殊应力状态，获得精确尺寸和光洁剪切面（可直接做工作面，不需要再切削加工）的冲裁方法。 第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）精密冲裁技术工艺过程精密冲裁技术工艺过程第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）3.2.53.2.5精密焊接精密焊接n精密焊接的定义n精密焊接的分类第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）精密焊接定义n精密焊接是根据焊接对象的不同，选择适当的焊接方法和控制技术，对焊接过程进行精确控制，获得预期的接头性能和焊接精度的成型制造技术。 第第3

16、 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）焊接分类第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）3.2.6 3.2.6 快速原型制造技术快速原型制造技术n快速原型技术的概述n快速原型技术的原理n快速原型技术的特点n快速原型技术的应用第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）快速原型技术的概述n快速原型制造的产生nRapid Prototyping Manufacturing, RPMn采用堆积成形堆积成形的方法，把材料有序地合并堆积起来，制造出产品的物理原型(样机、样件)；n20世纪80年代末在美国美国问世，很快完成数种RPM工艺技术的研究、开发与商

17、品化过程；日本、西欧等国也迅速进入这一领域n快速原型制造技术快速发展的原因n新产品开发中只有虚拟样机往往不够，需要物理样机物理样机；nRPM技术直接制造出产品样品，一般只需传统加工方法3050%3050%时间、2035%2035%成本，虽然材质方面可能有所差异，但形状几乎完全一样形状几乎完全一样；nRPM技术有人称其为：继数控技术之后的制造领域又一场技术革命；第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）快速原型技术的概述n快速原型/零件制造（RPMRapid Prototyping/Parts Manufacturing） 技术是综合集CAD技术、数控技术、电子技术、激光技术等

18、先进技术于一体，能够实现从零件设计到三维实体原型制造的一体化的系统技术。第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）快速原型技术的原理RPM技术是将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓，计算机根据该数据信息控制激光器有选择性地切割一层又一层的 片状材料，形成一系列具有微小厚度的片状薄层，再采用粘结、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使其逐层堆积成三维实体，从而制造出所设计的三维模型或样件。构造三维模型切片处理激光烧结或喷射产品零件表面处理三维实体第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n采用离散/堆积的原理来制造零件；n离散离散：将三维CAD模

19、型沿某一方向(常取Z向)切成许多层面，即分层；虚拟虚拟n堆积堆积：在分层信息控制下顺序加工各片层并层层结合，堆积出三维零件；实物实物每一层之厚度可以任意指定第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）快速原型技术的特点n制造快速性、高柔性和技术高集成性n自由成型制造n材料和应用的广泛性、低制造成本第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n(1)光敏液相固化技术nSLA，Stereolithgraphy APPARATUSn(2)分层实体制造技术nLOM，Laminated Object Manufacturingn(3)选择性激光烧结技术nSLS，Selec

20、tive Laser Sinteringn(4)熔融沉积成型技术n FDM，Fused Deposition Modelingn（5）三维打印机技术n3DP，Three Dimensional Printing典型的RPM工艺方法第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n(1)光敏液相固化技术n又称为立体印刷立体印刷和立体光刻；n原理n液槽中盛满液态光固化树脂液态光固化树脂， 在紫外光照射紫外光照射下产生固化固化；n聚焦后的激光束或紫外光光点按计算机的指令逐点扫描按计算机的指令逐点扫描，被照射的地方固化被照射的地方固化，未被照射的地方仍然是液态树脂；n升降台下降一个层片厚度

21、，进行第二层扫描；n重复上述过程，直到三维零件制作完成。n特点n可成形任意复杂形状的零件，成形精度高可达0.01mmn光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。(1)光敏液相固化技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n(1)光敏液相固化法n设备视频第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n原理：利用背面带有粘胶背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结成形；n单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上，并由伺服电机带动；n工作台上升至与纸面接触，热压辊沿纸面滚压并加热，粘接；n用CO2激光切割激光切割该层轮廓，并将轮廓外的余料切碎；n重复上述过程，直到加工完毕，最后剥

22、离切碎部分。(2)分层实体制造技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n特点n生成的”纸质模样产品”，性能类似硬木或塑料；n适宜办公室环境使用；n废料剥离费时。(2)分层实体制造技术请看视频第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n原理n用激光束激光束对可熔性粉末可熔性粉末在计算机控制下有选择地进行烧结烧结，固化成实体零件；n每次铺一层很薄的可熔性粉末，用CO2激光扫描烧结；n常用材料常用材料为尼龙、塑料、陶瓷和金属粉末。n特点n取材广泛。(3)选择性激光烧结技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）(3)选择性激光烧结技术视频

23、第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n原理n喷头在计算机控制下作平面扫描及Z向运动；n喷头挤出一束非常细的热熔塑料丝热熔塑料丝，由于热熔塑料冷却很快，形成由二维薄层轮廓堆积并粘结成的立体模型；n特点n无需激光系统，设备简单，运行费用便宜n适宜办公室环境使用。(4)熔融沉积成型技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）(4)熔融沉积成型技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n原理n喷头在计算机控制下作平面扫描及Z向运动；n喷头有选择性的喷射黏合剂，粉末遇到黏合剂迅速固化黏结，没有黏合剂的区域扔保持松散状态。n特点n速度快，设

24、备简单， 运行费用便宜n绿色环保的成型技术。（5）三维打印机技术第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）（5）三维打印机技术请看视频第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）nRPRP工艺技术比较工艺技术比较第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）RPM技术的应用第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）快速原型技术的应用n1.快速模具制造;铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工 .n2.医学上的仿生制造RPM技术 ,例如进行颅骨修复手术时，采用RP迅速、准确地将病人颅骨的CT数据转换为三维实体模型，采用快速原形方法制作的修复件成形精度高，能十分吻合病人颅骨几何形状，减少固定螺钉约1/2，减少手术时间，有利于病人恢复。 第第3 3章章 先进制造工艺技术（一）先进制造工艺技术（一）n(1)快速产品开发n新产品开发中的复杂形状零件复杂形状零件，制造昂贵；n计算机显示的三维模型只能进行